【正文】 一些特種電源，這也是電力電子 技術(shù)的用武之地。當(dāng)需要和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng) 時，更 離不開電力電子技術(shù)。 21/7 電力電子技術(shù)的應(yīng)用 總之，電力電子技術(shù)的應(yīng)用越來越廣，其地位也越來越重要。 ? 抽水儲能發(fā)電站的大型電動機(jī)需要用電力電子技術(shù)來 起動和調(diào)速。 ? 空調(diào)、電視機(jī)、音響設(shè)備、家用計算機(jī)， 不少洗衣機(jī)、 電冰箱、微波爐等電器也應(yīng)用了電力電子技術(shù)。 ? 在大型計算機(jī)等場合，常常需要 不間斷電源 （ Uninterruptible Power Supply__ UPS） 供電，不 間斷電源實際就是典型的電力電子裝置。通信設(shè)備中的程控交換機(jī)所用的直流電 源以前用晶閘管整流電源，現(xiàn)在已改為采用全控型 器件的 高頻開關(guān)電源 。 ? 在變電所中，給操作系統(tǒng)提供可靠的交直流操作電源，給蓄電池 充電等都需要電力電子裝置。 ? 晶閘管控制電抗器（ TCR） 、 晶閘管投切電容器（ TSC） 、 靜止 無功發(fā)生器（ SVG） 、 有源電力濾波器（ APF） 等電力電子裝置大量 用于電力系統(tǒng)的 無功補(bǔ)償 或 諧波抑制 。 ? 直流輸電 在長距離、大容量輸電時有很大的優(yōu)勢，其送電端的 整 流閥 和受電端的 逆變閥 都采用晶閘管變流裝置，而輕型直流輸電則主 要采用全控型的 IGBT器件。 ? 飛機(jī)、船舶和電梯都離不開電力電子技術(shù)。 ? 電動汽車的電機(jī)依靠電力電子裝置進(jìn)行電力變換和驅(qū) 動控制，其 蓄電池 的充電也離不開電力電子裝置。在未來的磁懸浮列車中，電 力電子技術(shù)更是一項關(guān)鍵技術(shù)。電氣機(jī)車中的 直流機(jī)車中采用 整流裝置 ，交流機(jī)車采用 變頻裝置 。 ? 電力電子技術(shù)還大量用于冶金工 業(yè)中的高頻或中頻感應(yīng)加熱電源、 淬火電源及直流電弧爐電源等場合。 ? 電化學(xué)工業(yè)大量使用直流電源， 電解鋁、電解食鹽水等都需要大容 量整流電源。 ? 一些對調(diào)速性能要求不高的大型鼓風(fēng)機(jī)等近年來也采用了 變頻裝置 ，以達(dá)到節(jié)能的目的。它不僅用于 一般工業(yè)，也廣泛用于交通運輸、電力系統(tǒng)、通信 系統(tǒng)、計算機(jī)系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等，在照明、空調(diào) 等家用電器及其他領(lǐng)域中也有著廣泛的應(yīng)用。與此同時， 軟開關(guān)技 術(shù) 的應(yīng)用在理論上可以使電力電子器件的 開關(guān)損耗 降為零，從而提高了電力電子裝置的 功率密度 。電力電子集成 技術(shù)包括以 PIC為代表的 單片集成技術(shù) 、 混合集成 技術(shù) 以及 系統(tǒng)集成技術(shù) 。 與此相對， MOS控制晶閘管（ MCT） 和 集成門極換流晶閘管（ IGCT） 復(fù)合了 MOSFET和 GTO。 ? 在 80年代后期，以 絕緣柵極雙極型晶體管（ IGBT） 為代表的 復(fù)合 型器件 異軍突起。 ? 采用全控型器件的電路的主要控制方式為 脈沖寬度調(diào)制（ PWM） 方式。 12/7 電力電子技術(shù)的發(fā)展史 ◆ 全控型器件和電力電子集成電路（ PIC） ? 70年代后期，以 門極可關(guān)斷晶閘管（ GTO） 、 電力雙極型晶體管 （ BJT） 和 電力場效應(yīng)晶體管（ PowerMOSFET） 為代表的 全控型器 件 迅速發(fā)展。 晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來實 現(xiàn)。 ? 晶閘管是通過對門極的控制能夠使其導(dǎo)通而不 能使其關(guān)斷的器件，屬于 半控型器件 。 11/7 電力電子技術(shù)的發(fā)展史 ◆ 晶閘管時代 ? 晶閘管 由于其優(yōu)越的電氣性能和控制性能，使 之很快就取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，并且 其應(yīng)用范圍也迅速擴(kuò)大。在 這一時期，也應(yīng)用 直流發(fā)電機(jī)組 來變流。 ? 20世紀(jì) 30年代到 50年代 ， 水銀整流器 廣泛用于電化學(xué) 工業(yè)、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動機(jī)的傳 動，甚至用于直流輸電。 10/7 電力電子技術(shù)的發(fā)展史 ◆ 晶閘管出現(xiàn)前的時期可稱為電力電子技術(shù)的史前期或黎 明期。 另外，控制理論是自動化技術(shù)的理論基礎(chǔ)，二 者密不可分，而電力電子裝置則是自動化技術(shù)的基 礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)。電力電子技術(shù)可以看成是弱電控制強(qiáng)電的技 術(shù)，是弱電和強(qiáng)電之間的接口。其中大三角形描述了電氣工程一級學(xué) 科和其他學(xué)科的關(guān)系，小三角形則描述了電氣工程一級學(xué) 科內(nèi)各二級學(xué)科的關(guān)系。在我國，電力電子與電力傳 動是電氣工程的一個二級學(xué)科。 ? 電力電子技術(shù)和電力學(xué) 電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程中，這是電力電 子學(xué)和電力學(xué)的主要關(guān)系。 圖 11 描述電力電子學(xué)的倒三角形 6/7 什么是電力電子技術(shù) ? 電力電子技術(shù)和電子學(xué) 電力電子器件的制造技術(shù)和用于信息變換的電子 器件制造技術(shù)的理論基礎(chǔ)（都是基于半導(dǎo)體理論） 是一樣的，其大多數(shù)工藝也是相同的。 ? 變流技術(shù)則是電力電子技術(shù)的核心 。 4/7 什么是電力電子技術(shù) ◆ 具體地說，電力電子技術(shù)就是使用 電力電子器件 對 電能 進(jìn)行 變換 和 控制 的技術(shù)。 ? 電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支。電力電子技術(shù) (第 5版 ) 第 1章 緒論 （第 4版為“概述”，無章序號） 西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院 王兆安 第 1章 緒論 什么是電力電子技術(shù) 電力電子技術(shù)的發(fā)展史 電力電子技術(shù)的應(yīng)用 本教材的內(nèi)容簡介 3/7 什么是電力電子技術(shù) ■ 電力電子技術(shù)的概念 ◆ 可以認(rèn)為，所謂電力電子技術(shù)就是應(yīng)用于 電力 領(lǐng)域的 電子 技術(shù)。 ? 電力電子技術(shù)中所變換的“電力” 有區(qū)別于“電力系統(tǒng)”所指的“電力” ，后者特指電力網(wǎng)的“電力” ，前者則更一般些。通常所說的模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)都屬于信息電子技術(shù)。 ? 電力電子器件的制造技術(shù)是電力電子技術(shù)的基 礎(chǔ)。 輸入 輸出 交流 （ AC） 直流 （ DC） 直流 （ DC） 整流 直流斬波 交流 （ AC） 交流電力控制 變頻、變相 逆變 表 11 電力變換的種類 5/7 什么是電力電子技術(shù) ■ 電力電子學(xué) ◆ 美國學(xué)者 W. Newell認(rèn)為電力電子學(xué)是由 電力學(xué) 、 電子學(xué) 和 控制理論 三個學(xué)科交叉而形成的。 電力電子電路和信息電子電路的許多分析方法也 是一致的。 7/7 什么是電力電子技術(shù) 各種電力電子裝置廣泛 應(yīng)用于高壓直流輸電、靜止 無功補(bǔ)償、電力機(jī)車牽引、 交直流電力傳動、電解、勵 磁、電加熱、高性能交直流 電源等之中，因此，無論是 國內(nèi)國外，通常都把電力電 圖 12 電氣工程的雙三角形描述 子技術(shù)歸屬于電氣工程學(xué)科。圖 12用兩個三角形對電 氣工程進(jìn)行了描述。 8/7 什么是電力電子技術(shù) ? 電力電子技術(shù)和控制理論 控制理論廣泛用于電力電子技術(shù)中，它使電力電 子裝置和系統(tǒng)的性能不斷滿足人們?nèi)找嬖鲩L的各種 需求。而控制理論則是實 現(xiàn)這種接口的一條強(qiáng)有力的紐帶。 9/7 電力電子技術(shù)的發(fā)展史 ■ 電力電子技術(shù)的發(fā)展史 圖 13 電力電子技術(shù)的發(fā)展史 ◆ 一般認(rèn)為，電力電子技術(shù)的誕生是以 1957年 美國通用電氣公司研制出第一個 晶閘管 為標(biāo)志的。 ? 1904年出現(xiàn)了 電子管 ，它能在真空中對電子流進(jìn)行控 制，并應(yīng)用于通信和無線電，從而開啟了電子技術(shù)用于電 力領(lǐng)域的先河。這一時期，各種整流電路、逆變 電路、周波變流電路的理論已經(jīng)發(fā)展成熟并廣為應(yīng)用。 ? 1947年美國著名的貝爾實驗室發(fā)明了 晶體管， 引發(fā)了 電子技術(shù)的一場革命。電力電子技術(shù)的概念和基 礎(chǔ)就是由于晶閘管及晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立 的。對晶閘管電 路的控制方式主要是相位控制方式，簡稱 相控方式 。這就使得晶閘管的應(yīng)用受到了很大的局限。全控型器件的特點是，通過對門極（基極、柵極）的控 制既可使其 開通 又可使其 關(guān)斷 。相對于相位控制方式，可稱之為 斬波控制方式 ，簡稱 斬控方式 。它是 MOSFET和 BJT的復(fù)合，綜合了兩者的優(yōu)點。 13/7 電力電子技術(shù)的發(fā)展史 ? 把 驅(qū)動 、 控制 、 保護(hù)電路 和 電力電子器件 集成在 一起，構(gòu)成 電力電子集成電路（ PIC） ，這代表了 電力電子技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。 ? 隨著全控型電力電子器件的不斷進(jìn)步，電力電子 電路的 工作頻率 也不斷提高。 14/7 電力電子技術(shù)的應(yīng)用 ■ 電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛。 ◆ 一般工業(yè) ? 工業(yè)中大量應(yīng)用各種 交直流電動機(jī) ，都是用電力電子裝置進(jìn)行調(diào)速的。 15/7 電力電子技術(shù)的應(yīng)用 圖 14 AB變頻器 ? 有些并不特別要求調(diào)速的電機(jī)為 了避免起動時的電流沖擊而采用了 軟起動裝置，這種軟起動裝置也是 電力電子裝置。電鍍裝置也需要整流 電源。 16/7 電力電子技術(shù)的應(yīng)用 ◆ 交通運輸 ? 電氣化鐵道中廣泛采用電力電子技術(shù)。 直流 斬波器 也廣泛用于鐵道車輛。除牽引電機(jī)傳動外，車輛 中的各種 輔助電源 也都離不開電力電子技術(shù)。一臺高 級汽車中需要許多控制電機(jī)，它們也要靠 變頻器 和 斬波器 驅(qū)動并控制。 17/7 電力電子技術(shù)的應(yīng)用 ◆ 電力系統(tǒng) ? 據(jù)估計，發(fā)達(dá)國家在用戶最終使用的電能中，有 60%以上的電能 至少經(jīng)過一次以上電力電子變流裝置的處理。近年發(fā)展起來的 柔性交流輸電（ FACTS） 也是依靠電力電子裝置才得以實現(xiàn)的。在配電網(wǎng)系統(tǒng)，電力電子裝置 還可用于防止電網(wǎng)瞬時停電、瞬時電壓跌落、閃變等，以進(jìn)行 電能質(zhì) 量控制 ，改善供電質(zhì)量。 18/7 電力電子技術(shù)的應(yīng)用 圖 15 中國南方電網(wǎng)公司安順換流站 圖 16 靜止無功發(fā)生器（上）和 晶閘管投切電容器（下） 19/7 電力電子技術(shù)的應(yīng)用 ◆ 電子裝置用電源 ? 各種電子裝置一般都需要不同電壓等級的直流 電源供電。大型計算機(jī)所需的工作電源、 微型計算機(jī)內(nèi)部的電源現(xiàn)在也都采用 高頻開關(guān)電源 。 20/7 電力電子技術(shù)的應(yīng)用 ◆ 家用電器 ? 電力電子照明電源體積小、發(fā)光效率高、可節(jié)省大量 能源，正在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈。 ◆ 其它 ? 航天飛行器中的各種電子儀器需要電源，載人航天器 也離不開各種電源，這些都必需采用電力電子技術(shù)。超導(dǎo)儲能是未來的一種儲能方式，它需要強(qiáng) 大的直流電源供電，這也離不開電力電子技術(shù)。 ? 新能源、可再生能源發(fā)電比如風(fēng) 力發(fā)電、太陽能發(fā)電，需要用電力 電子技術(shù)來緩沖能量和改善電能質(zhì) 量。 ? 核聚變反應(yīng)堆在產(chǎn)生強(qiáng)大磁場和 注入能量時，需要大容量的脈沖電 源，這種電源就是電力電子裝置。 圖 17 風(fēng)場 22/7 本教材的內(nèi)容簡介 ■ 本教材的內(nèi)容 第 2章 電力電子器件 電力電子器件概述 不可控器件 —— 電力二極管 半控型器件 —— 晶閘管 典型全控型器件 其他新型電力電子器件 功率集成電路與集成電力電子模塊 本章小結(jié) 24/7 引言 ■ 模擬和數(shù)字電子電路的基礎(chǔ) —— 晶體管和集成電路等電子器件 電力電子電路的基礎(chǔ) —— 電力電子器件 ■ 本章主要內(nèi)容： ◆ 對電力電子器件的 概念 、 特點 和 分類 等問題作了簡要概述 。 25/7 電力電子器件概述 電力電子器件的概念和特征 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成 電力電子器件的分類 本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點 26/7 電力電子器件的概念和特征 ■ 電力電子器件的概念 ◆ 電力電子器件（ Power Electronic Device）是指可直接用于處理電能的 主電路 中，實現(xiàn)電能的變換或控制的 電子器件 。 ? 廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導(dǎo)體器件兩類，目前往往專指電力半導(dǎo)體器件。 ◆ 為了減小本身的損耗，提高效